摘要：着重介绍了汽车车身焊接用自动伺服焊钳的结构型式及类型，并对焊钳的结构优化、选型及种类控制进行了详细的分析；对避免焊钳选型带给焊点质量的影响进行了阐述；对焊点的焊接压力、焊接电流与平均板厚的对应关系进行说明，以保证在车身方案规划时焊钳的合理选型、缩减控制焊钳种类、节省焊钳备件费用、保证焊点质量。 关键词：焊钳结构
焊钳种类
平均板厚
焊钳压力
焊点分配
中图分类号：U463.82
文献标识码：B
白车身焊接用伺服焊钳结构标准及种类优化
丁琦1
钟丽慧1
矫洪智2
王德亮1
（1.一汽-大众汽车有限公司，长春130011；2.机械工业部第九设计研究院有限公司，长春130011）
作者简介：丁琦（1965—），女，高级工程师，研究方向为焊接技术。
1前言
随着社会经济的高速发展及汽车市场需求的
不断扩展，使高节拍、高自动化的焊接设备得到了迅速的推广和应用。作为白车身焊接用的重要设备，自动伺服焊钳也得到了更为广泛的应用。通过对自动伺服焊钳结构型式及焊接工艺方案的优化控制，统一了焊钳零部件的标准，增强了焊钳互换性、减少了焊钳的种类及备件费用，降低了设备维护难度和生产风险。
2伺服焊钳结构及分类
伺服焊钳的突出特点是可根据焊点位置和零
件形状的变化来实时调整和控制焊钳的开口尺寸，缩短生产节拍，提高生产效率。
伺服焊钳按照驱动单元的不同分为气伺服焊钳和电伺服焊钳。其钳体结构型式均分为C 型焊
钳和X 型焊钳两种，主要由电极帽、电极杆、极臂、变压器、导电排、钳体、驱动单元（分气伺服模块和电缸）等硬件组成，如图1、2所示。
3
伺服焊钳结构优化
焊钳结构的优化可从以下几个方面来考虑。3.1
确定变压器的型号
整个项目采用同一种品牌型号的变压器可以
保证钳体的通用性，减少零部件的种类。出于对车身焊点质量的保证，伺服焊钳通常采用中频焊接变压器。3.2
确定驱动单元的型号
不同的焊钳结构，尽量统一驱动单元的型号。当焊钳的压力无法满足焊接需要时，可通过
图1C 型自动伺服焊钳图2X 型自动伺服焊钳
极臂
电极帽
电极杆
导电排
钳体
驱动单元
（气缸或电缸）变压器变压器
导电排
极臂
电极帽
电极杆
优化焊钳的窗口尺寸、焊点工艺或选用其它的钳体结构来满足要求。避免同一种钳体采用不同型号的驱动单元。图3是以X 型焊钳X100钳体为例，描述了不同的焊钳喉伸尺寸在不同的驱动单元作用下所能达到的焊接压力值。
3.3确定通用的钳体结构
即确定X 型和C 型焊钳钳体结构。确定变压
器和驱动单元的型号，为不同窗口尺寸大小的焊钳实现钳体的通用和更换提供了保证。既减少焊钳钳体的种类，又方便管理和维护维修，同时缩短焊钳供货周期。如图4和图5为某焊钳钳体结构，其特点是约90%的焊钳零件可达到通用互换，并且可根据客户的需要设计不同型式的极臂。
3.4规范电极臂和电极杆的规格，特别是对电极杆尺寸进行有规律地递增定义
电极臂和电极杆尺寸的标准化，可使不同窗口
尺寸的焊钳选择同一规格的电极杆，或者同一窗口尺寸的焊钳选择相同的极臂和不同的电极杆来满足焊接要求。通常情况下，电极臂长度按每50mm 或100mm 进行递增；电极杆的长度按每10mm 进行递增。每种焊钳最终的电极杆直径需要根据焊接压力来核算确定，通常为28mm 、32mm 和35mm 。这样不但可以增加焊钳零部件的通用性和互换性，而且还减少了电极杆和极臂的种类和备件费用。
4工艺方案设计中焊钳种类的控制
在白车身制造中，对于60JPH 的生产节拍通常
需要约六百套焊钳。为保证设备开动率，实现焊钳发生故障时的快速更换，对于不同种类的焊钳都需要相应的焊钳整体备件。因此在工艺方案设计时对焊钳选型的控制、种类的合并尤为重要。4.1
自动启闭阀定义焊钳库
在项目规划前期，在ENP 产品焊接可达性检查阶段前，首先建立项目所使用的焊钳库（图6），并通过数字化方案规划模拟，定义焊接顺序，确定工艺方案。对于不可达的焊点位置或者焊接空间不足的焊点，尽量通过前期的产品更改来解决。
在项目设计阶段，夹具设计前应通过PD 数字化焊钳可焊性分析（图7）完成焊钳的初选，实现对焊钳种类的控制。PD 数字化焊钳可焊性分析就是利用数字化平台将焊钳库内的焊钳对所焊零件的全部焊点进行模拟，并给出焊钳的可焊性比例。
图3焊接压力、焊钳喉深及驱动单元匹配曲线
400
500600700800
900
焊钳喉伸尺寸/mm
10
9876543210焊接压力/k N
气缸d125气缸d140
双行程气缸d125
双行程气缸D140电伺服缸15kN 电伺服缸20kN
铬锆铜极臂d50
图4模块化的C 型和X 型钳体
图5可选择装配管式极臂或铝臂
装配管式极臂结晶器铜管
装配铝臂
装配管式极臂装配铝臂
C 型焊钳钳体
X 型焊钳钳体
图6
焊钳钳库示意图
C 型焊钳-C50钳体
C 型焊钳-C8000钳体
X 型焊钳-X100钳体X 型焊钳-X120钳体
如某个焊钳模拟结果为100%，就意味着这把焊钳可以完成这个零件所有焊点的焊接。其优点是为焊点分配提供参考依据，并可直接从分析结果确定焊钳型式并进行归类，提高了工作效率，避免了因设计人员经验不足而带来的焊钳种类增加及选用的焊钳结构型式不理想的状况。
4.2合理的焊点分配
在前期工艺方案设计时，应先充分考虑平均
板厚、焊接压力及选用的焊钳结构型式，再对焊点进行合理分配。相同或相近板厚的焊点尽可能地分配在同一种焊钳焊接，减少新设计焊钳需求，避免增加焊钳种类。
4.2.1
将平均板厚和焊接压力相近的点考虑在同
一工位用同一把焊钳进行焊接
为保证焊点质量，在核算焊接压力的同时，还需要考虑所分配焊点每个焊点的平均板厚。因为平均板厚数值的大小直接影响到焊接压力和焊核直径，并影响电极帽直径尺寸和首次修磨的端面直径尺寸，如表1所示。
图8为车身纵梁件，是将平均板厚以2mm 为界限进行的焊点分配。避免了因电极帽尺寸的不同造成焊钳品种的增加，保证了所选用焊钳尺寸的一致性和焊点质量。
4.2.2
将零件尺寸相似，所需焊钳窗口接近的焊
点考虑分配到同一工位上
通常情况下，四门及主焊门洞边缘的翻边尺寸小于15mm ，如采用标准电极帽焊钳易出现与零件分流
或焊核直径不足的问题。在焊点分配时，应统筹考虑四门及主焊门洞边缘的焊点选用同一
种使用特殊电极帽的焊钳。如下图9和10所示。
4.2.3离子风机aryang
设计过程中夹具及工艺优化
在线体方案设计时，要优先确认初步的焊钳
型号后再开始夹具的详细设计。并通过夹具结构尺寸优化、焊点调配、机器人姿态及夹具位置调整等方式来减少焊钳的变更和新设计需求，如图11、12所示。
必要时也可考虑更改焊接工艺。如图13所
图7
PD
数字化焊钳可焊性分析
气伺服焊钳焊接压力＞5.0-7.5KN 图8
以平均板厚为界的焊点分配
图9门洞边缘的焊点及焊钳电极帽型式
测向天线
图10
门框焊点及焊钳电极帽型式
40:0.05
26②
15②降失水剂
A
A
3①②
Φ10
Φ8
Φ16
30
22
10
2
Φ16h 11
6′
20′
R 8
示，工艺上只有1个焊点且现有焊钳不可达，而此生产线恰好有MAG 焊接工艺。这时可优先考虑将此
点更改为MAG 焊。但首先要做好工艺、成本及节拍等方面的评估和分析，确认无问题后再实施，如图14所示。
4.2.4
对不同线体选用的焊钳种类的合并
一个项目通常由多个线体组成，各线体所选
的焊钳型号不尽相同。为便于种类合并，通常可以以首个审核完成的最具代表性的线体选用的焊钳列表作为参考列表，其它线体以此清单中的焊
钳为基础再对各自所选用的焊钳基本参数进行比较和模拟，确定是否可进行焊钳合并。同时焊钳审核人员也会根据焊钳使用数量及焊钳合并中遇到的问题，审核和综合评判是否有增加焊钳种类的必要性，是否具备焊钳的可替换性等，对整个车型采用的焊钳种类进行控制。4.2.5
新设计焊钳种类的控制
在确定新设计焊钳的方案时，若涉及到相似的焊钳窗口尺寸，应统一考虑设计为一种焊钳来
完成不同区域的焊接，减少新设计焊钳的种类。如图15所示，此焊钳可应用在多个区域，只有一个线体区域的焊钳在焊接时与工件过近，这时可通过对新设计焊钳尺寸的优化来避免新设计焊钳种类的增加，实现对焊钳种类的控制。
4.2.6
钳连接方式的控制
由于机器人的姿态、夹具的结构影响和焊点
位置的要求，在一个项目中的同一把焊钳通常需要有多个连接位置，即焊钳与机器人连接的相对位置。如每把焊钳会因不同的连接方式导致焊钳
种类的增加。因此焊钳的连接位置通常选用常用连接方式，如需要其它连接位置时，可通过增加转接板的方法来控制焊钳种类的增加，如图16所示。但从使用角度来看，还是尽可能避免采用转
接板的方式。
另外，还可通过优化焊钳钳体结构，实现同一
图11通过夹具优化减少焊钳变更
图12通过调整工位间焊点避免焊钳新设计
更改前
更改后
调整后：
绿件增加1个定位焊点
图13
工艺方案更改前
图14工艺方案更改后
30mm MAG
40mm MAG·Naht
图15
通过优化焊钳尺寸来减少焊钳种类
焊钳极臂与工件过近
110mm
修改电极尺寸
图16增加转接板图片示意
转接板
把焊钳有多种连接的方式，使机器人与焊钳的连接位置选择更加灵活，从根本上解决因连接位置不同引起焊钳种类增多或过多增加连接板的问题。其优点是提高了焊钳与机器人的安装精度，但焊钳质量和费用略有增加。如图17所示。
4.2.7
用特殊释放原则控制焊钳种类
在焊钳审核中的特例，可根据产品、工艺和夹具等具体的情况来对焊钳种类进行控制。a .焊钳与工件
过近或与工件有干涉等可对产
品和焊钳姿态进行适当的调整。
若焊接的多个点中，个别点无法满足焊接要求，存在工件与电极杆、电极帽干涉或过近的情况，可提出产品更改或通过调整焊点、焊钳姿态的方式，如通过平移焊点，或使焊钳与工件焊接时带有一定的角度等方法实现焊接。通常情况下焊钳转角不超过3°，如图18所示。虽然通过这种方法可避免特殊焊钳的设计，但为了保证焊点强度，对于涉及热成型钢板的焊点和连续焊接的焊点不要采用此方法。
b .对于个别焊点焊接压力过大，所选用的焊钳可有条件地对压力要求释放。
在对焊点进行压力计算过程中，选用的同一把焊钳有时会有1～2个焊点所需的焊钳压力大于所选用焊钳的最大压力。此时可结合实际经验进行有条件的认可，并在现场调试中进行焊点质量
跟踪。做到在保证车身焊点质量的前提下，控制焊钳的种类。
5
钳选型对焊点质量的影响
5.1
焊钳最大压力计算和强度校核
进行焊钳选型和新焊钳设计时，要充分考虑
焊钳能够达到的最大压力。通过对焊点所需焊钳
的焊接压力的计算，来选择满足要求的焊钳。参考德国康采恩的设计标准，焊接压力计算的方法如下。
a .当Sv ≤2mm 时，Fs V =(1.64×Sv +0.45)×[(Re 1+
Re 2+Re 3)/(220×3×10)+0.9]+0.21[KN]
b .当Sv ＞2mm 时，Fs V =(1.3×Sv +0.7)×[(Re 1+Re 2+Re 3)/(220×3×10)+0.9]+0.7[KN]
式中，Sv 为平均板厚（Sv =0.2×S max +0.8×S min ，S max 为搭接板材中的最大板厚；S min 为搭接板材中的最小板厚；如为三层板的焊接不考虑最小板厚）；Re 1、Re 2、R e3为搭接材料的屈服强度。弹性夹头
如果板材组合中有热成型钢板或者带胶，其焊接压力值为：FsV =FsV +0.5[KN ]。
在焊钳设计过程中，通过FEM 对电极杆和极臂的强度分析，对焊钳要达到的最大设计压力进行核算，以保证焊钳在使用过程中既能满足焊接压力的要求，又能保证设备的使用寿命，如图19所示。
5.2焊接参数的设置WVM 系统
为保证焊点质量，每个焊点都有专用的参
图18通过焊点平移及偏角保证焊接，控制焊钳选型
位置1
位置2
位置3
更改前：焊钳电极杆与工件接触无间隙
更改后：将焊点位置偏移1mm ，焊钳转
3°，电极杆与工件间隙2.98mm
0mm
2.98mm
图17
多连接位置焊钳钳体结构
图19
电极杆和极臂强度分析
5100N
1.1mm
1.95mm
5100N
99.2N/mm 2
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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